- 學習智能測控系統(tǒng)的應用
- 硬件及接口電路的設計
- 采用低功耗16位單片機MSP430F449為主處理器
- 總體軟件設計
0 引言
為了解決許多航空設備采用的航空總線種類各異，難以互相兼容的問題，現(xiàn)代飛機航空電子系統(tǒng)要求各機載航空設備使用統(tǒng)一的航空總線，以方便系統(tǒng)集成。ARINC429總線是航空電子設備之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮娇展I(yè)標準，具有接口方便、數(shù)據(jù)傳輸可靠的特點，目前已經(jīng)是航空領(lǐng)域應用最廣泛的航空電子總線。ARINC429是美國航空無線電公司(ARINC)制定的航空數(shù)字總線傳輸標準，屬單向數(shù)據(jù)總線，可由兩根獨立總線實現(xiàn)雙向傳輸，數(shù)據(jù)傳輸率為12．5～100 Kb／s，傳輸字為32位?？偩€上的發(fā)送器只能有一個，而接收器可多達20個。國內(nèi)外研究和實現(xiàn)ARINC429總線通信的文獻很多，接口豐富且使用廣泛。文獻采用FPGA實現(xiàn)了ARINCA29的接口轉(zhuǎn)換為通用的USB接口。文獻采用C8051單片機為核心，在測控ARINC429總線數(shù)據(jù)的同時，還能夠監(jiān)測總線上電氣特性的變化。文獻研究了基于PC／104總線結(jié)構(gòu)的ARINCA29總線測控系統(tǒng)，可以完成多路429總線數(shù)據(jù)的實時接收和發(fā)送功能。文獻研究了基于FPGA的ARINCA29總線接收發(fā)送系統(tǒng)，實現(xiàn)四路ARINCA29信號接收和兩路發(fā)送的功能。雖然采用ARINCA29總線通信的研究很多，但還未見用于雷達導航儀測控的報道。隨著國產(chǎn)雷達導航儀的體積不斷優(yōu)化，功能日益復雜，傳統(tǒng)的測控手段由于采用人工組裝、整機測試的方法，已經(jīng)不能滿足新形勢下武器裝備的保障要求。
本文采用低功耗16位單片機MSP430F449為主處理器，以集成電路HS3282和HS3182為主要通信芯片，設計完成包括ARINC429總線通信在內(nèi)的雷達導航儀測控系統(tǒng)。此測控系統(tǒng)采用電池方式供電，可以手持方式工作，高亮度液晶方式顯示，提高測控系統(tǒng)可靠性和便攜性，能夠為導航儀提供各類導航檢測信號，可以完成相關(guān)導航設備的生產(chǎn)測試、外場調(diào)試、后期維護等功能。
1 ARINC429串行總線
ARINCA29總線是一種單向廣播式數(shù)據(jù)總線，采用雙角屏蔽線傳輸信息，可由兩根獨立總線實現(xiàn)雙向傳輸，數(shù)據(jù)傳輸率為：高速傳輸?shù)奈凰俾蕿?00 Kb／s±1％，低速傳輸?shù)奈凰俾蕿?12．0～14．5)Kb／s±1％。ARINC429規(guī)定數(shù)據(jù)傳輸采用雙極性歸零制的三態(tài)碼方式，如圖1所示，即調(diào)制信號由“高”、“零”和“低”狀態(tài)組成的三電平狀態(tài)。雙極性歸零碼的基本信號波形中攜帶了位同步信息，位同步是由零狀態(tài)變至“高”或“低”狀態(tài)的這一狀態(tài)變化來識別。字同步是以傳輸周期間至少有四個位時的時間間隔為基準，緊跟該字間隔后要發(fā)送的第一位起點即為新字的起點。
ARINC429總線數(shù)據(jù)的基本信息單元是由32位構(gòu)成的一個數(shù)據(jù)字，每個數(shù)據(jù)字被分為5個基本區(qū)域，即標志碼(LABEL)，源／目的識別碼(SDI)，數(shù)據(jù)區(qū)(DATA)，符號狀態(tài)位(SSM)，校驗位(PARITY)，ARINC429總線數(shù)據(jù)信號編碼舉例如圖1所示。
ARINC429串行總線
[page]2 硬件及接口電路
接口的實現(xiàn)方式選用Intersil公司的HS3282芯片，它支持ARINC429通信規(guī)范和其他串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，采用+5 V供電。具有兩路接收、一路發(fā)送的功能。通道接收器之間也是獨立的并行接收，可以直接連接到ARINC429總線，而不需電平轉(zhuǎn)換。使用時和HS3182總線驅(qū)動器配合，就可以發(fā)送數(shù)據(jù)進行二級差分驅(qū)動，產(chǎn)生ARINC429總線的電平。HS3282數(shù)據(jù)總線為16位，MSP430F449為16位單片機，從而避免了8位單片機為解決系統(tǒng)總線匹配的問題需要采用鎖存器作為虛擬總線的煩惱，提高了測控系統(tǒng)的可靠性。
具體設計思路為：首先利用一片HS3282和兩片HS3182配合使用形成兩路接收和兩路發(fā)送通道。它們構(gòu)成了數(shù)據(jù)收發(fā)、串并轉(zhuǎn)換的主體。HS3282主要用來完成接收、發(fā)送時所必須具備的串并、并串轉(zhuǎn)換功能；HS3182用來完成對兩路輸出信號的差分驅(qū)動，然后設計命令寄存器和狀態(tài)寄存器，用以完成對輸入、輸出通道的選擇和對HS3282的控制字的設置。該控制電路單片機無需外擴展電路，將32個I／O口的P0口和P2口用于數(shù)據(jù)傳輸功能，實現(xiàn)對HS3282的16位數(shù)據(jù)傳輸功能。把P1口及P3口的P3．3，P3．4作為控制信號與控制端引腳相連，來控制HS3282數(shù)據(jù)收發(fā)操作。測試數(shù)據(jù)由預先設置或手工輸入兩種方式完成。返回數(shù)據(jù)顯示到高亮度液晶顯示器上。圖2為測控系統(tǒng)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
測控系統(tǒng)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
3 總體軟件設計
雷達導航儀智能測控系統(tǒng)以單片機為核心，控制測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)送、轉(zhuǎn)換、接收、顯示等功能。本系統(tǒng)中采用的MSP430F449單片機是TI公司的一款超低功耗的混合信號控制器，它具有16位RISC結(jié)構(gòu)，150ns指令周期和簡潔的27條內(nèi)核指令，1．8～3．6 V的低工作電壓，支持JTAG在線調(diào)試。它還集成了豐富的外圍模塊，豐富的系統(tǒng)資源完全可以滿足雷達導航儀的測控要求。
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系統(tǒng)工作可分為三種主狀態(tài)：準備接收狀態(tài)，正在接收狀態(tài)和準備發(fā)送狀態(tài)。整個系統(tǒng)軟件的運行圍繞著按鍵控制進行的，軟件的編寫也以鍵盤按鍵為基礎。圖3(a)為ARINCA29信號發(fā)送流程圖，圖3(b)為信號接收流程圖，橢圓框里寫著系統(tǒng)當前的狀態(tài)名稱，直線表示當前系統(tǒng)所處的狀態(tài)，圓形框表示按鍵，箭頭表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移走向。每一條直線都表示一種循環(huán)的狀態(tài)，在該狀態(tài)中，系統(tǒng)一直等待的按鍵按下，如果有，系統(tǒng)立即掃描按鍵，得出鍵值，并與直線下方的按鍵進行比較，如有相同的按鍵，馬上執(zhí)行該按鍵對應的程序。例如在準備接收狀態(tài)，如果背光鍵按下，液晶屏背光則從亮變?yōu)闇缁驈臏缱優(yōu)榱?。頻率鍵按下后，ARINC429總線頻率將在12．5 Kb／s，50 Kb／s和100 Kb／s之間相互轉(zhuǎn)換。存儲鍵按下后，系統(tǒng)將跳到讀寫存儲器子狀態(tài)；確認鍵按下，系統(tǒng)將跳到正在發(fā)送主狀態(tài)。使用類似的方法，為了簡化使用人員的操作步驟，可以在使用時選擇手動或自動模式。自動模式提供兩組默認的典型數(shù)據(jù)進行發(fā)送，以測試雷達導航儀的通信完好性。當需要進行完備性測試時，可以采用手動模式，這時可以進行任何信號及數(shù)值的通信。
ARINCA29信號發(fā)送流程圖
4 實驗與分析
對此便攜式低功耗雷達導航儀智能測控系統(tǒng)的測試內(nèi)容包括：發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)間隔等測試。由于HS3282的兩路輸出是差分輸出的，所以只需要測試其中的一路就可以了。智能測控系統(tǒng)現(xiàn)場波形如圖4所示，發(fā)送的數(shù)據(jù)采用自動模式，控制字為奇校驗。通過示波器直接觀察HS3282芯片的輸出信號，輸出電平是3．92 V，滿足TTL的電平要求。而數(shù)據(jù)之間的時間間隔，即組間數(shù)據(jù)4位間隔。由單片機的延時程序即可完成。
5 結(jié)語
目前，該測試系統(tǒng)已設計完成，并交付航空某研究所的生產(chǎn)維修部門進行雷達導航儀的生產(chǎn)調(diào)試和外場測試使用。實踐證明：系統(tǒng)采用手持方式工作的設計方案正確，能夠為導航儀提供各類導航檢測信號，提高系統(tǒng)可靠性和便攜性，并且可以嚴格保證通信的實時性。能夠很好地完成相關(guān)導航設備的生產(chǎn)測試、外場調(diào)試、后期維護等功能，具有高度集成化、智能化、接口標準化的優(yōu)點。同時創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益，使雷達導航設備的地面維修工作躍升到一個新水平。
